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化学实验室实验:利用粉笔进行离子迁移(Migration of Ions using Chalk)〔III〕

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,工艺工程师 2019-09-03回答

连结:利用粉笔进行离子迁移(Migration of Ions using Chalk)〔II〕

教师手册(Teacher’s Guide)

教学提示

● 上课时间:教师实验解说:约15分钟,学生粉笔钻孔和在粉笔刻上凹痕:约5分钟,学生实验操作和实验纪录约60分钟。讨论与分享:约15分钟。

● 本实验所用的粉笔为传统的粉笔,其主要成分为硫酸钙,这是因为此种粉笔的孔隙较大,容易吸附电解液,而且也容易钻孔洞。粉笔钻孔洞亦可用钻孔器和尖锐的笔尖等,但不可施力过大而造成粉笔钻孔的破裂。

● 以铅笔的笔芯当作电极,此笔芯可选用2B扁型笔芯,折取所需长度,十分方便且省时。

● 用市售9V电池代替电供应器亦可,只是反应速率过慢,不符合经济效益。

● 使用滤纸进行离子迁移时所搭配的电解液以酸性溶液为佳,但使用粉笔时却是硷性溶液效果最佳。这是因为粉笔的主要成分为硫酸钙,其次成分为碳酸钙,其中硫酸 钙不易与溶液反应,但碳酸钙与酸性或硷性电解液会产生反应,进而影响到离子在其中的移动。不同的电解液与碳酸钙反应之比较,如表五所示。

表五??不同电解液在滤纸和粉笔上电解的比较

使用滤纸进行离子迁移时,硫酸当电解液效果佳。然而使用粉笔时,碳酸钙与硫酸反应而产生沉淀,这沉淀物不但没有帮助导电,反而阻止离子移动。以氢氧化钠当电解液时,会帮助导电,因此有利于离子移动。

药品配制

● 莫耳质量:KMnO4 = 158.034 g/mol;CuCl2?2H2O = 170.48 g/mol;FeCl2?4H2O = 198.8102 g/mol;CoCl2?6H2O = 237.93 g/mol;CuSO4?5H2O = 249.70 g/mol;K3[Fe(CN)6] = 329.24 g/mol;FeCl3?6H2O = 270.3 g/mol;NaOH = 40.00 g/mol。

● 配制浓度0.1 M盐类:秤取下面固体指定的重量,溶于少量水,完全溶解后,再加水至容量瓶100 mL的刻度线,并混合均匀。若配制浓度0.2 M,则秤取重量为指定重量的两倍。若配制浓度0.3 M,则秤取重量为指定重量的三倍。

● 0.1 M过锰酸钾:0.01 mol (1.58 g) KMnO4
● 0.1 M氯化铜:0.01 mol (1.78 g) CuCl2?2H2O。
● 0.1 M氯化亚铁:0.01 mol (1.99 g) FeCl2?4H2O。
● 0.1 M氯化亚钴:0.01 mol (2.38 g) CoCl2?6H2O。
● 0.1 M硫酸铜:0.01 mol (2.50 g) CuSO4?5H2O。
● 0.1 M铁氰化钾:0.01 mol (3.29 g) K3[Fe(CN)6]。
● 0.1 M氢氧化钠:0.01 mol (0.40 g) NaOH。

● 配制浓度0.1 M的混合液:先各取5 mL的盐类溶液,然后混合均匀。

● 0.1 M的CuSO4和KMnO4混合液:各取5 mL的0.2 M 盐类溶液。
● 0.1 M的CuCl2、FeCl2和CoCl2混合液:各取5 mL的0.3 M盐类溶液。
● 0.1 M的KMnO4和K3[Fe(CN)6]混合液:各取5 mL的0.2 M盐类溶液。
● 0.1 M的FeCl2和FeCl3混合液:各取5 mL的0.2 M盐类溶液。

● 0.1 M盐酸:取1 mL的浓盐酸,先溶于少量水中,再加水至容量瓶100 mL的刻度线,可得0.12 M盐酸。
● 0.1 M硫酸:取1 mL的浓硫酸,先溶于少量水中,再加水至180 mL的刻度线,可得0.1 M硫酸。

实验纪录样本

A. 阴离子和阳离子的迁移

A-1 过锰酸钾溶液

● 使用0.1 M氢氧化钠为电解液,过锰酸钾溶液的离子迁移,如表一和图三所示。

表一??氢氧化钠为电解液,过锰酸钾溶液的离子迁移

5分钟? ?? ?? ? →? ?? ?? ? 10分钟? ?? ?? ? →? ?? ?? ? 15分钟
图三??使用氢氧化钠为电解液,过锰酸钾溶液的离子迁移

● 使用0.1 M盐酸为电解液,过锰酸钾溶液的离子迁移,如表二和图四所示。

表二??盐酸为电解液,过锰酸钾溶液的离子迁移

5分钟? ?? ?? ? →? ?? ?? ? 10分钟? ?? ?? ? →? ?? ?? ? 15分钟
图四??使用氢氧化钠为电解液,过锰酸钾溶液的离子迁移

● 使用0.1 M硫酸为电解液,过锰酸钾溶液的离子迁移,如表三和图五所示。

表三??硫酸为电解液,过锰酸钾溶液的离子迁移

5分钟? ?? ?? ? →? ?? ?? ? 10分钟? ?? ?? ? →? ?? ?? ? 15分钟
图五??使用硫酸为电解液,过锰酸钾溶液的离子迁移

● 使用蒸馏水作为电解液,过锰酸钾溶液的离子迁移,如表四和图六所示。

表四??蒸馏水作为电解液,过锰酸钾溶液的离子迁移

5分钟? ?? ?? ? →? ?? ?? ? 10分钟? ?? ?? ? →? ?? ?? ? 15分钟
图六? 使用蒸馏水为电解液,过锰酸钾溶液的离子迁移

● MnO4 正(阳) 极移动,呈现的颜色: 紫红色

A-2 硫酸铜和过锰酸钾混合液

Cu2+和MnO4的移动,如图六所示。
● 往正极移动的颜色: 紫红色 ;推测此产物: MnO4
● 往负极移动的颜色: 蓝色 ;推测此产物: Cu2+

图六??Cu2+(左)和MnO4(右)的移动

B. 不同阳离子的移动

Cu2+、Fe2+和Co2+的阳离子移动之观察,如图七-A所示。
● 往负极移动的先后顺序之颜色: 淡蓝 → 褐 → 淡绿 → 粉红
Cu2+、Fe2+和Co2+的阳离子移动并涂上赤血盐(K3[Fe(CN)6])溶液之观察,如图七-B所示。
● 在粉笔涂上赤血盐溶液后先后顺序之颜色: 绿 → 深褐 → 蓝 → 橙红
● 依颜色推测离子的先后顺序: Cu2+ → Fe3+ → Fe2+ → Co2+
● Fe2+为淡绿色,于粉笔上不易观察,可用赤血盐检验,试写出反应方程式:
Fe2+(aq) + [Fe(CN)6]3-(aq) → Fe3+(aq) + [Fe(CN)6]4-(aq) → Fe4[Fe(CN)6]3(s)
注:出现Fe3+,乃因Fe2+不稳定,容易氧化成Fe3+

图七-A??Cu2+、Fe2+和Co2+的阳离子移动(左:未涂上赤血盐)
图七-B??Cu2+、Fe2+和Co2+的阳离子移动(右:有涂上赤血盐)

C. 不同阴离子的移动

MnO4(过锰酸根)和[Fe(CN)6]3-(铁氰根)阴离子移动之观察,如图八-A所示。
● 往正极移动的先后顺序之颜色: 黄绿(A1) → 紫红(B1)
MnO4(过锰酸根)和[Fe(CN)6]3-(铁氰根)阴离子移动并涂上Fe2+溶液之观察,如图八-B所示。
● 在粉笔涂上含Fe2+溶液后先后顺序之颜色: 蓝(A2) → 紫红(B2) → 褐色(C2)(Fe2+氧化成Fe3+
● 依颜色推测离子先后顺序: [Fe(CN)6]3-(铁氰根) → MnO4(过锰酸根)

图八-A??MnO4和[Fe(CN)6]3-阴离子移动(左:未涂上Fe2+溶液)
图八-B??MnO4和[Fe(CN)6]3-阴离子移动(右:有涂上Fe2+溶液)

D. 相同元素不同价数的离子移动

Fe2+和Fe3+相同元素不同价数的离子移动之观察,如图九-A所示。
● 往负极移动的先后顺序之颜色: 褐色 → 浅褐色
Fe2+和Fe3+相同元素不同价数的离子移动并涂上赤血盐溶液之观察,如图九-B所示。
● 在粉笔涂上含赤血盐(K3[Fe(CN)6])溶液后先后顺序之颜色: 褐色 → 深蓝色
● 依颜色推测离子顺序: Fe3+ → Fe2+

图九-A??Fe2+和Fe3+的离子移动(左:未涂上赤血盐)
图九-B??Fe2+和Fe3+的离子移动(右:有涂上赤血盐)

参考答案

1. CuCl2、FeCl2和CoCl2皆为易溶于水的盐类,属于强电解质。因为Cu2+、Fe2+、Co 2+的离子半径分别为0.72;、0.74 ;和0.745 ;,所以电荷密度(q/r):Cu2+ > Fe2+ > Co2+,所以离子迁移速率:Cu2+ > Fe2+ > Co2+

2. 因为Fe(CN)63-的电荷数 > MnO4的电荷数,所以离子迁移速率:Fe(CN)63- > MnO4

3. 因为Fe3+的电荷数 > Fe2+的电荷数,所以迁移速率速率:Fe3+ > Fe2+

参考资料和延伸阅读

1. 韩建诚,百变粉笔─粉笔中进行的化学实验,科学研习月刊,第45卷第1期,28-35。
2. Sidewalk chalk, Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Sidewalk_chalk.
3. Migration of ions, http://www.practicalchemistry.or ... of-ions,163,EX.html.
4. Electrolysis: The Migration of Ions, http://chemistry.proteincrystallography.org/article106.html.
5. KOHLRAUSCH LAW OF INDEPENDENT MIGRATION OF IONS, http://www.adichemistry.com/engi ... kohlrausch-law.html.
6. Independent Migration of Ions, http://tannerm.com/migration.htm.
7. Potassium ferricyanide, Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Potassium_ferricyanide.
8. Prussian blue, Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Prussian_blue.

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